瓦斯風壓誘導井巷風流災變的實驗裝置研制

周愛桃, 肖迤文, 王 凱

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083)

瓦斯災害是井下煤礦開采過程中的嚴重災害之一[1-2]。在煤礦開采過程中,由于瓦斯的異常涌出、煤與瓦斯突出或礦井通風不暢,易造成高濃度瓦斯積聚,因而礦井瓦斯防治及預防問題也被廣泛研究[3-5]。早在20世紀末就有學者對高濃度瓦斯積聚造成風流災變的現象進行研究,隨即提到“瓦斯風壓”概念，實際上就是礦井發生瓦斯突出時自然風壓的增量[6-7]。高濃度瓦斯在巷道空間積聚后,不僅由于浮力作用可能形成瓦斯風壓,影響風流的正常流動,誘導風流災變,而且會對積聚區域內的人員造成窒息、直接形成爆炸隱患,如果發生瓦斯爆炸則很可能會造成重大人員傷亡和財產損失。因此深入研究瓦斯風壓與風流災變規律對礦井抗災救護及事故預防具有重要意義[8-9]。

對于學生,特別是非采礦類專業的學生來說,瓦斯風壓誘導風流災變規律非常抽象,加之缺乏現場經歷和專業知識的鋪墊,教學難度大。一些國內學者將教學與實驗進行結合,使學生更全面清楚地掌握知識結構和事物規律,降低了教學難度[10-11]。目前還沒有學者制作瓦斯風壓誘導風流災變的教學實驗平臺以供本科生學習。本文研制了瓦斯風壓誘導風流災變規律的本科教學實驗裝置研制,向學生展示瓦斯風壓誘導風流災變規律。

1 實驗裝置設計

1.1 確定相似比

選擇合適的幾何相似比、運動相似比、動力相似比是設計并構建一個盡可能接近真實巷道的實驗裝置的首要充分條件。3種相似關系是緊密相關的,即確定其中兩組相似比,第3組相似比便可對應求出[12-13]。

本次實驗選擇通過確定幾何比和動力比來確定另外一組相似比[14]。為滿足幾何相似比條件,使得實驗裝置和實際巷道所對應的尺寸成一致比例、相應的角度也一樣。

實際井巷中,風流流態往往是完全紊流狀態,因此實驗裝置的幾何相似比不宜過小,否則在較低風速進行實驗時,風流將無法達到完全紊流狀態；但受到實驗室空間大小的限制,實驗裝置也不宜過大。最終根據教學實驗室的空間大小確定本次教學實驗裝置幾何相似比為1∶50。

為滿足動力相似比條件,需保證實驗模型和實際模型的同名力大小成比例、方向一致[15]。本實驗中,最關鍵的力是瓦斯風壓,即瓦斯柱和空氣柱的重力差。故在確定相似準數時,優先考慮了表征慣性力和重力之比的弗諾德數。有學者在類似的實驗中根據弗諾德數來構建實驗模型[16]。弗諾德數如下式所示:

式中,Fr是弗諾德數；g是重力加速度,本次實驗中不考慮其變化；l是表征長度的特征量；v是表征速度的特征量。

從公式(1)可以看出,為使弗諾德數相等,速度的平方之比與幾何相似比須相等,因此實驗模型的運動相似比選為1∶500.5。只要風速滿足選定的運動相似比,實驗模型和實際模型的弗諾德數就會相等。

近些年,有人在實驗研究中提出時間相似比的概念[17],時間相似比在數值上等于幾何相似比與運動相似比的比值,因此本次實驗的時間相似比為1∶500.5。

1.2 實驗裝置簡介

本實驗裝置旨在模擬長度為100 m的并聯巷道的風流運動狀態,假設實際巷道是圓形巷道,直徑5 m；巷道支護方式為U型鋼支護,支架間距為1.5 m,U形鋼的縱向厚度和徑向厚度分別為25 cm、16.5 cm；假設巷道中的風流速度介于0.15～4 m/s。結合前一節中得到的3組相似比,構建瓦斯風壓誘導井巷風流災變的本科教學實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由若干并聯管道組成,并設計為用鐵皮卷成的螺旋風管,并聯管道由左側長管道(左側分支)、中間長管道(中間分支)、右側長管道(右側分支)、進風橫管道、中間連通管道(角聯分支)、出風橫管道組成,所有管道無縫連接,其中除了右側長管道的直徑為15 cm以外,其余管道的直徑均為10 cm。各管道內壁每隔2.5 cm貼一條厚3.3 mm、寬5 mm的海綿雙面膠薄片,目的是增加管壁的粗糙程度達到更真實的模擬效果。圖2為部分管道剖面示意圖。

圖1 瓦斯風壓誘導井巷風流災變實驗系統示意圖

圖2 部分管道剖面示意圖

實驗裝置的底座和并聯管道通過卡環連接,底座設計為可調節傾角式,調節范圍在0°～90°,通過卡環與底座連接(見圖3)的并聯管道可在0°～90°的傾角范圍內調節。

圖3 卡環和底座示意圖

此外,實驗裝置的各管道壁上有若干監測孔和可調節閥門,可調節閥門設計為有6個檔位的蝶閥,6檔相當于完全打開該分支,1檔相當于完全封閉該閥門所在分支。蝶閥位置可見圖1。

用來收集風速數據的風速傳感器安裝在每一個監測孔處，并與數據采集器連接。風速傳感器選用探頭較小、適合測量管道低風速風流的美國歐米伽公司的FMA900A型風速儀,響應時間為250 ms,精確度約為0.04 m/s。一共安裝10個風速傳感器。收集氣體濃度數據的氣體濃度傳感器安裝在每一個監測孔處，并與數據采集器連接,氣體濃度傳感器均選氧氣傳感器,其響應時間小于800 ms,量程1%～100%,并在進風口處安裝一個氧氣傳感器,檢測室內空氣中氧含量的變化,一共安裝了10個氧氣傳感器。

為了保障實驗室以及學生安全,用體積比為1∶1的N2和He代替實際瓦斯氣體。計算得到該種混合氣體在標準狀況下的密度為0.714 3 g/L,與甲烷密度非常接近。瓦斯風壓主要跟氣體密度相關,所以這種混合氣體可替代實際瓦斯氣體進行教學實驗。

本實驗裝置模擬抽出式通風方式,實驗裝置上的風機安裝在出風口處,可以通過調節風口處的可調節閥門的對風機排風量進行控制。

具體實驗步驟如下:

(1) 關閉中間長管道、中間連通管道、右側長管道的閥門,開啟風扇,調節風扇使左側長管道風速達到期望值；

(2) 對中間長管道充氣,待中間長管道下部的氧氣傳感器示數低于0.6%時,開始數據采集；

(3) 10 s后打開中間長管道的閥門,同時停止充氣；

(4) 實驗進行了足夠長時間后,觀測傳感器示數不再改變,實驗結束。

2 實驗方案及結果分析

2.1 不同方向的瓦斯風壓對風流影響

在上行通風巷道中,瓦斯風壓的方向與風流方向相同,在下行通風巷道中則相反。本節分別在上行通風巷道、下行通風巷道進行了實驗,向學生展示瓦斯風壓方向對井巷風流造成的影響。

圖4是在上行通風巷道實驗裝置傾角為75°、初始風速為0.15 m/s時,經過處理后的左側支路風速變化曲線。可以看出,在上行通風巷道實驗中左側支路風速出現負值,說明左側支路風流發生了逆轉。

圖4 左側支路風速變化曲線

為了進行下行通風實驗,對上行通風實驗時的裝置做下述處理:

(1) 下行通風相對于上行通風,風流方向發生了改變,具體改動是在原上行通風實驗裝置進風口處安裝風機、閥門；

(2) 在中間分支的頂端安裝氧氣濃度傳感器,用來監測中間分支混合氣體的逆流情況。

圖5是經過改動后的下行通風實驗裝置在不同傾角下中間分支的風速隨時間變化曲線。

圖5 不同傾角下中間分支的風速隨時間變化曲線

圖5顯示：在不同巷道傾角情況下,中間分支風速的變化情況是不同的。風速變化曲線在閥門打開短時間內均顯著上升,說明此時瓦斯風壓導致了中間分支風流發生逆轉；隨著巷道傾角的增大,中間分支風速也逐漸增大,說明巷道傾角越小時,瓦斯風壓初始值越小,風流逆轉所能達到的最大風速也越小。

2.2 不同支路斷面積對風流影響

在上行通風巷道情景下,斷面積不同分支的風速和氧氣體積分數隨時間變化曲線分別見圖6和圖7。

圖6 斷面積不同分支的風速隨時間變化曲線

圖7 斷面積不同分支的氧氣體積分數隨時間變化曲線

從圖6可以看出:左側小斷面分支風速下降到0的時刻比右側大斷面分支稍晚,且其風流狀態恢復正常所用的時間明顯長于大斷面分支。

從圖7可以看出：兩路分支氧氣體積分數均明顯下降,說明兩種不同斷面的支路均發生風流逆轉；大斷面支路最低氧氣體積分數比小斷面的高,氧氣體積分數下降速率也比小斷面小些，但兩種情況下氧體積分數下降的速率大致相當。

綜合以上分析得出,右側大斷面支路發生風流逆轉時間略早于左側小斷面支路,但是左側小斷面支路風流逆轉程度相對較大。

2.3 不同風機風壓對風流影響

由于實驗裝置中風機提供的風壓很低,所以通過儀器很難準確地測出風機風壓的變化。但當風阻不變時,改變風壓能使風速相應地改變,因此可以通過僅打開左側分支單獨通風時風速的變化反映風機風壓的變化。

在上行通風巷道實驗裝置傾角為70°的條件下,調節風機風口處的可調節閥門，使左側分支風速分別近似為0.110、0.160、0.200、0.280、0.360 m/s，分別實驗，實驗結果見圖8和圖9。

圖8 風機風壓不同左側分支的風速隨時間變化曲線

圖9 風機風壓不同左側分支的氧體積分數隨時間變化曲線

從圖8和圖9中得出:

(1) 左側支路風流的最低風速隨著風機風壓的增大不斷升高,氧氣體積分數的最低值也在升高,說明左側分支風流逆轉現象越來越微弱；

(2) 風速最低值出現的時刻相差不大,在16～19 s時段，但風流逆轉持續的時間是隨著風機風壓的加大而減小的；

(3) 風機風壓的增大使得氧氣體積分數最小值出現的時刻提前,氧氣的體積分數重新回到初始狀態所用時間也逐漸減少；

(4) 隨著風機風壓的增大,氧氣體積分數下降速率有所降低,氧氣體積分數下降所持續的時間減少。

2.4 左側支路風阻對風流影響

實驗裝置的可調節閥門都有6個檔位,不同的檔位會使支路風阻值不同,其中1檔為關閉分支狀態,風流無法通過，6檔則為閥門全開狀態。通過調節使左側支路的可調節閥門處于6檔時的風速為0.18 m/s,使左側分支上的閥門從2檔開始逐步升高到6檔分別進行實驗，實驗結果見圖10和圖11。

圖10 風阻不同左側支路的風速隨時間變化曲線

圖11 風阻不同左側支路的氧氣體積分數隨時間變化曲線

由圖10和圖11得出:

(1) 隨著左側支路風阻的增加,初始風速逐漸降低,左側分支的最低風速逐漸升高，氧氣體積分數曲線顯著下降,說明左側支路發生風流逆轉；

(2) 左側支路風流逆轉持續時間都是在15～20 s時段；

(3) 2檔時左側支路氧氣體積分數的最低值有明顯上升,氧氣體積分數下降速率降低,其他檔位最低氧氣體積分數出現的時刻隨風阻增高而滯后。

2.5 中間分支風阻對風流影響

設置同2.3節,通過調節風口處的可調節閥門使左側分支風速為0.15 m/s。實驗開始時,先分別打開中間分支的2、3、4、5檔進行實驗，實驗結果見圖12和圖13。

圖12 中間分支風阻不同左側分支的風速隨時間變化曲線

圖13 中間分支風阻不同左側分支氧氣體積分數隨時間變化曲線

從圖12和圖13可以看出:

(1) 隨著中間分支風阻逐漸增大,左側支路風流逆轉達到的最低風速升高；

(2) 隨著中間分支風阻的增大,左側分支正常通風時的風速逐漸增加；在相同瓦斯風壓的作用下,左側分支風流更難以發生逆轉；

(3) 氧氣體積分數能達到的最低值隨著中間分支風阻的增大逐漸增大。

3 結論

(1) 通過搭建模擬井下瓦斯風壓誘導風流災變的實驗裝置、控制不同的因素并分別進行實驗,形象地將瓦斯風壓誘導風流災變的規律展示給學生,便于學生理解,加深了學生對瓦斯風壓誘導風流災變規律的理解，不僅幫助學生掌握了專業知識,而且鍛煉了學生的動手能力以及科研能力。

(2) 實際生產礦井中,上行通風時,瓦斯風壓作用方向與礦井主要通風機作用方向相同,可能導致旁側分支風流逆轉；下行通風時,瓦斯風壓作用方向與礦井主要通風機作用方向相反,可能導致主干分支風流逆轉。瓦斯風壓誘導風流災變不僅與主干分支、旁側分支的風阻、主要通風機的風壓相關,還與巷道的長度、高差等因素密切相關。

[1] 孫慶剛. 中國煤礦瓦斯災害現狀與防治對策研究[J]. 中國煤炭,2014,40(3):116-119.

[2] 程遠平, 付建華, 俞啟香. 中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J]. 采礦與安全工程學報, 2009, 26(2):127-139.

[3] 李潤求,施式亮,伍愛友,等. 煤礦瓦斯災害事故的分形特性[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(9):25-29.

[4] 皮子坤,賈寶山,賈廷貴,等. 煤與瓦斯突出預測綜合指標F臨界值研究[J]. 中國安全生產科學技術,2015,11(9):38-44.

[5] 肖峻峰,樊世星,盧平,等. 高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采與采空區遺煤自燃相互影響研究[J]. 中國安全生產科學技術,2016,12 (2):20-26.

[6] 張仁松,楊吉才,羅雙全. 對瓦斯礦回采工作面下行通風的探討[J]. 煤炭工程師,1998(1):27-29.

[7] 張仁松,唐繼東. 礦井瓦斯對風流穩定性影響的探討[J]. 煤炭工程師,1997(5):31-33.

[8] 周愛桃,王凱,吳則琪, 等. 瓦斯風壓誘導礦井風流災變規律研究[J]. 中國礦業大學學報,2014,43(6):1011-1018.

[9] 王凱,吳則琪,周愛桃, 等. 并聯下行通風巷道瓦斯風壓誘致風流紊亂研究[J]. 礦業科學學報,2016,1(1):49-57.

[10] 黃思, 楊衛國, 梁棣華, 等. 《過程流體機械》本科教學實驗裝置的研究[J]. 廣州化工,2009,37 (2):204-205，215.

[11] 陳媛,李雪輝.氣相色譜本科教學實驗的改進[J].實驗技術與管理, 2015, 32(7):213-215.

[12] 蔡增基,龍天渝. 流體力學泵與風機[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2009:270-284.

[13] Chow W K， Wong K Y, Chung W Y. Longitudinal ventilation for smoke control in a titled tunnel by scale modeling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology ,2010,25(2):122-128.

[14] Zhang Haoran, Pera S L, Carla S V, et al. Applied research of U-shape ventilation network in underground mine[J].Archives of mining sciences, 2014,59(2):381-394.

[15] 吳則琪. 傾斜巷道瓦斯積聚誘致井巷風流紊亂規律研究[D]. 北京:中國礦業大學,2017.

[16] Tsai Kuangchung, Chen Honhsiang, Lee Shinku .Critical ventilation velocity for multi-source tunnel fires[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics ,2010,98(10/11):650-660.

[17] 張馳,李新東. 相似理論中時間相似的達成與意義[J]. 鄭州鐵路職業技術學院學報,2011,23(2):15-17.